Contribution à la modélisation électromagnétique et thermique des bobines supraconductrices haute température critique REBCO à des fins de protection

Contribution to electromagnetic and thermal modelling of High Temperature Superconducting REBCO coils for protection purpose

• Auteur / Autrice : Blandine Rozier
• Direction : Gérard Meunier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 24/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Geuzaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Larbalestier, Arnaud Badel, Brahim Ramdane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Larbalestier, Marco Breschi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques intenses

Aimants supraconducteurs

Modèles mathématiques

Supraconducteurs

Mots clés libres

Modélisation numérique

Méthodes Intégrales

Supraconducteurs à haute température critique

Bobines REBCO

Courants d'écrantage

Protection contre le quench

Numerical modelling

Integral methods

High Temperature Superconductors

REBCO coils

Shielding currents

Protection agains quench

Résumé

Les supraconducteurs sont des matériaux qui présentent l’étonnante particularité de transporter du courant sans pertes à très basse température et sous certaines conditions de fonctionnement. Cependant, lorsque ces conditions ne sont plus remplies, l’état supraconducteur et non dissipatif disparaît, laissant place à un comportement fortement dissipatif (pertes Joule). Cette transition soudaine et rapide s’accompagne d’une génération importante de chaleur pouvant mener à la destruction de l’appareil. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement aux électro-aimants réalisés à partir de ruban Terre Rare Baryum Cuivre Oxyde (TRBCO) isolé, un matériau supraconducteur dit à haute température critique. La protection de bobines TRBCO contre des dérives thermiques destructrices requiert une connaissance approfondie du phénomène de transition ainsi qu’une interprétation poussée du signal utilisé pour la détection, ici la tension. L’objectif est alors d’analyser la réponse de bobines TRBCO à une alimentation par une source de courant DC. Pour ce faire, deux principaux modèles ont été développés. Le premier se focalise sur les comportements électromagnétiques transitoires observés lors de variations de courant. En effet, l’apparition de courants d’écrantage propres aux supraconducteurs rend le signal de détection difficile à interpréter (phénomènes hystérétiques, de relaxation …). Pour traiter ce problème, une formulation innovante issue des méthodes intégrales de volume a été développée, testée, validée puis appliquée à la problématique de protection. Le second modèle s’intéresse quant à lui aux conditions d’apparition ainsi qu’à la propagation d’une zone dissipative dans le bobinage dans le but de définir des seuils de tension de détection sûrs mais également réalisable en pratique compte tenu de la précision des appareils de mesure. Les résultats combinés de ces deux modèles devraient permettre une détection précoce et donc une protection efficace de bobines TRBCO utilisées pour la génération de champ magnétique intense.

Superconducting materials are able to carry very high current densities without any losses once cooled down to very low temperature and under specific operating conditions. However, the non-dissipative superconducting state is lost as soon as these conditions are not complied with anymore, and it is replaced by a highly dissipative behaviour. This sudden and fast transition comes along with an important heat generation that can lead to the destruction of the device. This PhD work focuses on electromagnets made with insulated Rare Earth Barium Copper Oxide (REBCO) which is a high temperature superconductor. Protection of REBCO coils from destructive thermal runaways requires a thorough knowledge of the transition phenomenon, as well as a good interpretation of the signal used for detection, here the voltage. The objective is thus to analyse the behaviour of REBCO coils once supplied by a DC current source. To do so, two different models have been developed. The first one focuses on the transient electromagnetic behaviours observed during current variations. Indeed, the shielding currents phenomenon proper to superconducting materials makes the detection signal hard to interpret (hysteresis, relaxation …). In order to deal with this problem, an innovative formulation resulting from the volume integral method has been developed, tested, validated and finally applied to the protection problem. The second model examines the occurrence and propagation of a dissipative zone inside the winding in order to be able to define safe voltage threshold values that also account for the level of accuracy of the measurement apparatus. Combining results from both models should enable an early detection and hence an efficient protection of REBCO coils used for high field generation.